Diagnose und Sensorik

Markierungsfreie Nachweismethoden - also ohne zusätzliche Reagenzien zur molekularen Charakterisierung - haben ein hohes Entwicklungspotenzial, da sie einfachere Diagnosewerkzeuge bereitstellen können, die außerhalb des Labors eingesetzt werden können und damit auch für nicht spezialisierte Anwender zugänglich werden. Das Fraunhofer IPMS entwickelt photonische markierungsfreie Biosensoren auf der Basis von Siliziumnitrid-Mikroringresonatoren in Siliziumtechnologie. Sie werden zum selektiven Nachweis von Biomarkern oder mikrobiellen Substanzen eingesetzt und bieten beispielsweise eine geeignete Nachweismethode zur Früherkennung von Krankheiten. 

Zu diesem Zweck entwickeln das Fraunhofer IPMS, das Fraunhofer IZI und das Fraunhofer IOF am Fraunhofer-Zentrum für Mikroelektronische und Optische Systeme für die Biomedizin MEOS in Erfurt eine hochempfindliche integrierte photonische Biosensorik-Plattform.

Die Corona-Pandemie stellt eine Herausforderung für die medizinische Diagnostik dar: Neben schwerwiegenden Symptomen verursacht der SARS-CoV-2-Virus auch milde Verläufe, die sich akut verschlechtern können. Eine durchgängige Patientenüberwachung gibt es aber bisher nur auf Intensivstationen. Plötzliche Gesundheitsverschlechterungen werden dadurch oft erst zeitverzögert erkannt und Betroffene zu spät in ein Krankenhaus gebracht. Genau da setzt das Clusterprojekt M3Infekt an. Durch die mobile Erfassung, Analyse und Fusion relevanter Biosignale mithilfe unterschiedlicher Technologien können valide Diagnosen über Zustand und Krankheitsverlauf getroffen werden.

Das avisierte System adressiert langfristig die dezentrale Patientenüberwachung auf Normalstationen sowie in außerklinischen Umgebungen anhand multimodaler Parameter des Herz-Kreislaufsystems (u.a. Herzrate, EKG, Sauerstoffsättigung, Durchblutungssituation) und der Atmung (u.a. Atemfrequenz/-volumen, Atemluftanalyse). Als Basis zur Auswertung dienen Methoden des maschinellen Lernens, die die Diagnosestellung erleichtern und die ortsunabhängige Integration in verschiedene Einsatz- und Anwendungsszenarien gewährleisten.

Krankheiten können durch die Analyse der Atemluft detektiert werden. So sind beispielsweise Spuren spezieller Gase in der Atemluft ein frühes Zeichen verschiedener Krankheiten, einschließlich Krebs. Eine spektroskopische Atemluftanalyse kann diese Gase erkennen und somit eine frühzeitige Diagnose und damit eine zeitnahe Therapie ermöglichen. Entsprechende, im Alltag einsetzbare Systeme der chemischen Sensorik basieren auf einem MEMS-Ionenmobilitätsspektrometer, mit dem Verfahren zum Schnelltest bereitgestellt werden können.

Lab-on-Chip (LOC)-Diagnostik ist heutzutage bei verschiedenen labordiagnostischen Verfahren Stand der Technik. Sie ermöglicht die automatisierte Verarbeitung und Auswertung von Proben. Diagnostische Ergebnisse können dadurch kostengünstiger, schneller und und früher zur Verfügung gestellt werden als mit der herkömmlichen Analyse in einem medizinischen Labor. Jedoch gibt es nicht für alle Anwendungsfälle Lab-onChip-Systeme. Zusammen mit Partnern entwickelt das Fraunhofer-Zentrum MEOS daher neue Komponenten und Module für die LOC-Diagnostik im Bereich des Zytokin-Freisetzungssyndroms.

Das Zytokin-Freisetzungssyndrom (cytokine release syndrome, CRS) kann bei einer Vielzahl von Erkrankungen und Therapien auftreten, beispielsweise bei Immunotherapie, Sepsis und Infektionserkrankungen wie z. B. Covid-19. Bei einem CRS werden im Zuge der Immunreaktion des Körpers Zytokine gebildet, die weitere Immunzellen aktivieren. Diese wandern an den Ort der Entzündung und bilden ebenfalls Zytokine, sodass eine überschießende Immunreaktion stattfindet. Diese klingt nicht wie üblicherweise automatisch ab, sondern verstärkt sich immer weiter. Da diese schwere Nebenwirkung tödlich enden kann, muss sie schnellstmöglich diagnostiziert und behandelt werden.